Рабочая программа дисциплины «Химия и физика высокомолекулярных соединений» (стр. 2 )

 

№ п/п	Темы семинаров и лабораторных работ
1	Вводная беседа о структуре и содержании практикума. Инструктаж по технике безопасности при работе в лаборатории практикума.
2	Семинар - Общие сведения о высокомолекулярных соединениях. Тест по темам Модуля 1
3	Семинар - Растворы полимеров. Оценка полимолекулярности полимеров методом турбидиметрического титрования. Лабораторная работа №1 – получение интегральной и дифференциальной кривых турбидиметрического титрования раствора полимера.
4	Семинар - Вискозиметрия разбавленных растворов полимеров. Измерение вязкости растворов полимера и вычисление его средневязкостной молекулярной массы. Индивидуальное собеседование по результатам лабораторной работы №1.
5	Лабораторная работа №2 – а) Определение средневязкостной молекулярной массы полимера. б) Определение молекулярной массы полимера до и после облучения. в) Оценка полимолекулярности полимера вискозиметрическим методом.
6	Семинар - Полиэлектролиты. Особенности ионизации и гидродинамического поведения полиэлектролитов. Определение констант диссоциации поликислот и их низкомолекулярных аналогов методом потенциометрического титрования. Индивидуальное собеседование по результатам лабораторной работы №2 .
7	Лабораторная работа №3 – а) получение зависимости pK от степени диссоциации для полимерной и низкомолекулярной кислот из данных потенциометрического титрования этих кислот; б) определение свободной энергии конформационного перехода полиметакриловой кислоты по кривой потенциометрического титрования раствора поликислоты.
8	Коллоквиум по темам Модуля 2. Индивидуальное собеседование по результатам лабораторной работы №3 .
9	Семинар – Структура и физические свойства полимерных тел
10	Коллоквиум по темам Модуля 3
11	Семинар - Синтез полимеров и сополимеров методом радикальной полимеризации. Лабораторная работа №4 – Исследование кинетики радикальной полимеризации стирола в массе (блоке) в присутствии инициатора - перекиси бензоила: определение скорости полимеризации и порядка реакции по инициатору.
12	Семинар - Радикальная сополимеризация. Уравнение состава сополимера, константы сополимеризации. Индивидуальное собеседование по результатам лабораторной работы №4.
13	Лабораторная работа №5 – проведение радикальной сополимеризации смеси а) стирол-метилметакрилат и б) стирол-метакриловая кислота при различных соотношениях мономеров.
14	Семинар – Поликонденсация Лабораторная работа №6 – исследование кинетики линейной полиэтерификации этиленгликоля адипиновой кислотой: определение констант скорости при двух температурах и расчет энергии активации линейной поликонденсации.
15	Семинар - Химические реакции макромолекул. Индивидуальное собеседование по результатам лабораторной работы №5 и 6.
16	Коллоквиум по темам Модулей 4 и 5. Зачет по практикуму.

 

 

Содержание дисциплины

 

Модуль 1. Введение. Общие сведения о высокомолекулярных соединениях.

Место науки о полимерах как самостоятельной фундаментальной области знания среди других фундаментальных химических наук. Ее роль в научно-техническом прогрессе и основные исторические этапы ее развития. Вклад русских ученых в зарождение и развитие науки о полимерах. Предмет и задачи науки о высокомолекулярных соединениях (полимерах). Роль полимеров в живой природе и их значение как промышленных материалов (пластмассы, волокна и пленки, покрытия).

Основные понятия и определения: полимер, олигомер, соотношение понятий "полимеры" и "высокомолекулярные соединения". Макромолекула и ее химическое звено. Степень (коэффициент) полимеризации и контурная длина цепи. Критерии разграничения высокомолекулярных соединений и низкомолекулярных веществ. Переход от мономеров к полимерным цепям возрастающей длины. Полимерное состояние как особая форма существования веществ.

Важнейшие свойства высокомолекулярных соединений. Роль усредненных характеристик при описании строения и свойств полимеров. Молекулярно-массовые характеристики полимеров: усредненные молекулярные массы, понятие о функциях молекулярно-массового распределения (ММР).

Классификация полимеров в зависимости от происхождения, химического состава и строения звеньев и макромолекулярной цепи. Природные, синтетические и искусственные полимеры. Органические (элементоорганические) и неорганические полимеры. Гомоцепные и гетероцепные полимеры. Линейные, разветвленные и сшитые полимеры. Гомополимеры, сополимеры, блок- и привитые сополимеры.

Основные представители. Способы получения. Свойства и области применения.

Карбоцепные полимеры. Полимеры и сополимеры моноолефинов и их производных: полиэтилен, полипропилен и их сополимеры, полистирол, поливинилхлорид, полимеры акрилового и метакрилового рядов. Полимеры и сополимеры диолефинов (диенов) и их производных: полибутадиен и его сополимеры, полиизопрен, полихлорпрен. Карбоциклические полимеры: фенолформальдегидные смолы, полифенилены, поли-п-ксилилен.

Карбогетероцепные полимеры. Полимеры, содержащие кислород в основной цепи: полиэфиры простые (полиэтиленоксид), полиэфиры сложные (полиэтилентерефталат, глифталевые смолы), полиацетали (полиоксиметилен, целлюлоза и ее производные).

Полимеры, содержащие азот в основной цепи: полиамиды (поликапролактам, полигексаметиленадипамид), полиуретаны, полипептиды, белки, понятие об их биологических функциях.

Полимеры, содержащие фосфор в основной цепи: нуклеиновые кислоты, понятие об их биологических функциях.

Полимеры, содержащие серу в основной цепи: простые политиоэфиры, полисульфиды, полисульфоны.

Элементогетероцепные полимеры. Полисилоксаны (силоксановые каучуки и покрытия). Полифосфаты. Полифосфазены.

Конфигурационная изомерия и конфигурация макромолекулы. Локальные конфигурационные изомеры в макромолекулах полимеров монозамещенных этиленов и диенов. Стереорегулярные макромолекулы.

Конформационная изомерия и конформация макромолекулы. Конформационные переходы в молекулах полиэтилена и монозамещенных полиэтиленов. Внутримолекулярное вращение и гибкость макромолекулы. Энергетические барьеры внутреннего вращения. Поворотные изомеры и гибкость реальных цепей. Среднее расстояние между концами цепи как характеристика, чувствительная к конформационному состоянию цепи. Модель свободно-сочлененной цепи и цепи с заторможенным вращением. Связь между средними размерами идеализированного клубка и контурной длиной цепи. Понятие о статическом сегменте. Величина сегмента как эквивалентное выражение гибкости макромолекулы. Энтропийная (молекулярно-кинетическая) упругость гибкой изолированной цепи.

Модуль 2. Растворы полимеров

Общее представление о растворах полимеров. Истинность полимерных растворов. Правило фаз и применение его к растворам полимеров. Фазовые диаграммы систем полимер – растворитель. Понятие о верхних и нижних критических температурах смешения. Особенности процесса растворения полимеров. Механизм набухания. Ограниченное и неограниченное набухание. Термодинамический критерий растворимости. Эндотермическое, экзотермическое и атермическое растворение полимеров.

Особенности термодинамического поведения макромолекул в растворе по сравнению с растворами низкомолекулярных соединений. Идеальные растворы (определение). Энтропия смешения, химический потенциал. Закон Рауля, закон Вант-Гоффа. Положительные и отрицательные отклонения от идеальности реальных растворов. Отклонения от идеальности в случае полимерных растворов. Теория Флори-Хаггинса. Решеточная модель раствора полимера. Энтропия смешения и изобарно-изотермический потенциал раствора полимера.

Разбавленные растворы полимеров. Осмотическое давление раствора полимера. Уравнение состояния полимера в растворе. Второй вириальный коэффициент. Факторы, влияющие на величину второго вириального коэффициента. Тэта-температура и тэта-растворитель (тэта-условия). Термодинамическое качество растворителя. Поведение макромолекул в "хороших", "плохих" и тэта-растворителях. Понятие об исключенном объеме макромолекулы. Невозмущенные размеры макромолекулы. Термодинамический сегмент как мера гибкости макромолекулы. Понятие о коэффициенте набухания.

Фазовые равновесия в растворах полимеров и основы фракционирования полимеров. Критические явления в растворах полимеров. Термодинамические критерии критических температур смешения. Зависимость критической температуры смешения от молекулярной массы полимера. Определение тэта-температуры из фазовых диаграмм полимер-растворитель. Полидисперсность полимеров и функции молекулярно-массового распределения. Физико-химические основы фракционирования полимеров.

Методы оценки средних молекулярных масс полимеров: среднечисловой и среднемассовой. Методы определения среднечисловой молекулярной массы: осмометрия, криоскопия, эбуллиоскопия, метод концевых групп, электронная макроскопия. Методы определения среднемассовой молекулярной массы: светорассеяние, седиментация в ультрацентрифуге. Методы фракционирования полимеров: фракционное осаждение, фракционное растворение, турбидиметрическое титрование, гель-проникающая хроматография. Физические основы методов и основные формулы.

Гидродинамические свойства макромолекул в растворах. Природа вязкости разбавленных растворов полимеров. Вязкостные аномалии в разбавленных растворах полимеров. Наибольшая и наименьшая ньютоновская вязкость. Уравнение Пуазейля. Абсолютная вязкость, единицы измерения вязкости. Относительная, удельная, приведенная и характеристическая вязкости. Определение характеристической вязкости (уравнение Хаггинса). Связь характеристической вязкости с молекулярной массой полимера (уравнение Марка-Куна-Хаувинка). Связь характеристической вязкости со средними размерами макромолекул (уравнение Флори-Фокса). Определение невозмущенных размеров макромолекул в тэта-условиях. Коэффициент набухания макромолекул. Влияние природы растворителя на вязкость разбавленных растворов полимеров и оценка степени полидисперсности полимеров. Вискозиметрия как метод определения средневязкостной молекулярной массы.